1、雙重考量

不同極化的天線陣列將空間和極化域的信號(hào)處理相結(jié)合，可以顯著提高接收機(jī)的抗干擾能力。

極化。在日常用語中，“極化” 指將兩個(gè)群體按照截然不同的觀點(diǎn)或信仰分為兩組，但在物理和電氣工程領(lǐng)域，這個(gè)詞有另外一層含義，即用來描述電磁波的特性。電磁波，無論光波還是無線電波，都存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互垂直振動(dòng)，并沿傳播方向移動(dòng)。如果電場(chǎng)（相應(yīng)地磁場(chǎng)）在一個(gè)特定的非變化平面內(nèi)振動(dòng)，我們就說波是線性極化的。

在地面無線電通信中，信號(hào)通常以線性極化波的形式進(jìn)行傳輸。同時(shí)，電場(chǎng)在垂直方向或水平方向上振動(dòng)。

如果電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振動(dòng)平面隨著信號(hào)傳播均勻旋轉(zhuǎn)，會(huì)出現(xiàn)圓極化的情況。因?yàn)樾D(zhuǎn)的方向可以是順時(shí)針或逆時(shí)針的，所以我們可以接收到分別沿左、右手指彎曲方向的左圓極化(LHCP)和右圓極化(RHCP)信號(hào)。圓極化通常用于中低地球軌道衛(wèi)星，如GNSS衛(wèi)星的信號(hào)，其發(fā)射和接收天線的相對(duì)方位是不固定的。

GNSS接收天線并不完美，特別是對(duì)于直接視距低仰角信號(hào)而言。LHCP主天線可以捕獲RHCP信號(hào)中的大部分能量，并在視距信號(hào)消失或極為微弱的時(shí)候?qū)Ψ瓷湫盘?hào)做出強(qiáng)烈的反應(yīng)。因此，在極端情況下使用雙極化天線可以提高定位能力。此外，由于干擾信號(hào)可以是任意極化的，具有波束形成能力的雙極化天線能更好地分離和削弱這種干擾。

對(duì)于GNSS的應(yīng)用來說，從生命安全到執(zhí)法、交通、通信、金融等關(guān)鍵領(lǐng)域的信號(hào)干擾都是一個(gè)嚴(yán)重的問題。在這些關(guān)鍵性應(yīng)用中，即使以增加成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性為代價(jià)，也要保證GNSS接收機(jī)最低水平的可靠性和魯棒性。為滿足這些需求，一些制造商和研究機(jī)構(gòu)已開始研發(fā)具備抗干擾功能的GNSS接收機(jī)。

本文中，我們提議采取一種新的干擾抑制法，通過配置具有不同極化天線陣列的GNSS接收機(jī)，以一種新的方式將空間和極化域的信號(hào)處理結(jié)合起來，并將現(xiàn)有的兩步盲自適應(yīng)波束形成算法擴(kuò)展到包含極化域的新算法，在德國(guó)Julich附近的Aldenhoven汽車測(cè)試中心進(jìn)行了一次測(cè)試，并利用從該測(cè)試中收集到的數(shù)據(jù)對(duì)新算法進(jìn)行了評(píng)估。我們使用了不同的干擾源，包括被稱為個(gè)人隱私裝置（PPDS）的低成本干擾器，在真實(shí)場(chǎng)景中驗(yàn)證干擾抑制方面的顯著成效。

測(cè)試結(jié)果表明，與普通的SP法相比，使用DP法時(shí)，接收機(jī)的抗干擾性能有了顯著提升。

2、信號(hào)模式

平面波的極化。假定接收的電磁信號(hào)為窄帶，輻射源位于遠(yuǎn)場(chǎng)。在自由空間中，平面波的傳播方向正交于電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量，這使極化波的電場(chǎng)e可以用兩個(gè)正交于傳播方向的單位矢量和進(jìn)行完整描述。

其中，∈x和∈y 為電場(chǎng)分量的實(shí)值非負(fù)振幅，Φx和Φy為場(chǎng)分量，ω為載波角頻率，k為波數(shù)。

等式（1）中，只有實(shí)數(shù)部分與包含振蕩場(chǎng)相位信息的復(fù)指數(shù)實(shí)際相關(guān)。

從線性基向量組轉(zhuǎn)換至圓形基向量組：

其中，和分別是RHCP和LHCP分量的單位矢量。明顯的時(shí)間和空間依賴性忽略不計(jì)，我們可以將歸一化的電場(chǎng)分量表示為：

電磁信號(hào)的極化狀態(tài)由∈R和∈L進(jìn)行描述。

一般來說，任何沖擊天線平面波的電場(chǎng)都可以用這個(gè)方程式表示。

雙極化天線陣列。圓形雙極化（DP）天線具有兩個(gè)正交的圓形極化輸出端口，這意味著每個(gè)元件分別在兩個(gè)不同的天線端口上成功接收由RHCP和LHCP場(chǎng)分量感應(yīng)的電壓。由于天線的不完善和耦合效應(yīng)，部分接收到的RHCP字段被LHCP端口接收，反之亦然。這些非想望的電壓造成了交叉極化元件的出現(xiàn)。

有鑒于此，我們將天線表征為對(duì)圓極化平面波的響應(yīng)，并在圓形基的基礎(chǔ)上使用瓊斯矢量法將電場(chǎng)表示為：

其中，是由RHCP端口接收到的復(fù)合總電場(chǎng)，是在RHCP端口處由純RHCP電磁波誘導(dǎo)的復(fù)雜電場(chǎng)，表示為同極分量。是通過用純LHCP電磁波激勵(lì)天線所獲得的電場(chǎng)，φ 是方位角，θ是假設(shè)天線位于球坐標(biāo)系原點(diǎn)時(shí)，沖擊信號(hào)的仰角。類似的表述適用于由LHCP端口接收的總電場(chǎng)以及同極性（）和交叉極性（）分量。

問題公式化。天線陣列收集到的模擬信號(hào)通過接收機(jī)前端進(jìn)行放大、過濾并轉(zhuǎn)移到基帶。所得到的復(fù)合基帶信號(hào)具有帶寬B，由配置M DP傳感器元件的天線陣列在極化端口P處接收。

其中，sp(t)定義疊加的衛(wèi)星信號(hào)副本，l = 1標(biāo)識(shí)LOS信號(hào)，l = 2，...，L為非LOS（多路徑）信號(hào)，zp(t)表示i從1到I的疊加射頻干擾（RFI）信號(hào)。

3、測(cè)量行動(dòng)

除提供LHCP通道輸出所需的附加混合耦合器之外，在我們的工作中還要使用一個(gè)2×2配置的平面四單元矩形DP陣列天線，類似于我們之前使用過的天線。每個(gè)元件有一個(gè)雙饋源，一個(gè)理想地接收RHCP場(chǎng)，另一個(gè)理想地接收極化輸入信號(hào)的LHCP場(chǎng)，共形成八個(gè)輸出信道。單天線元件被設(shè)計(jì)用于接收GPS L1、L5以及伽利略E1和E5頻段信號(hào)，但是在此次工作中，我們只關(guān)注GPS L1信號(hào)的接收。

八個(gè)信號(hào)經(jīng)過一個(gè)前端，在這里被放大、濾波并下變頻至2.5MHz的中頻。模擬信號(hào)隨后以每秒8兆的采樣率進(jìn)行數(shù)字化，將生成的8比特位數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并存儲(chǔ)在固態(tài)驅(qū)動(dòng)器中，隨后通過GNSS軟件接收機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

測(cè)試場(chǎng)景描述。DP系統(tǒng)已由測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，以評(píng)估其對(duì)提高LOS信號(hào)接收質(zhì)量和應(yīng)對(duì)非故意RFI及干擾的魯棒性。如前所述，測(cè)試在Aldenhoven汽車測(cè)試中心進(jìn)行。該中心提供七條不同長(zhǎng)度、傾斜度和形狀的車道。測(cè)試所用的試車跑道即高速公路，在每個(gè)方向上提供兩條車道，總長(zhǎng)度為1000米（見圖1）。

在本文中，我們匯報(bào)并分析了三種基于不同測(cè)試場(chǎng)景的結(jié)果。在第一個(gè)測(cè)試中，我們?cè)跓o干擾的環(huán)境里收集了超過60秒的GPS L1數(shù)據(jù)。該基線場(chǎng)景的目的在于驗(yàn)證附加的LHCP信道是否改善了基于載波噪聲密度比（C/N0）和PVT誤差的信號(hào)接收性能。

第二個(gè)測(cè)試場(chǎng)景中，安裝在桅桿上的喇叭天線在GPS L1波段上發(fā)送連續(xù)波(CW)干擾信號(hào)，并朝接收天線的方向轉(zhuǎn)向，如圖2所示。在測(cè)量間隔期間，喇叭天線和接收天線均保持靜態(tài)。

第三個(gè)測(cè)試場(chǎng)景的目標(biāo)是對(duì)類似于“紐瓦克場(chǎng)景”的真實(shí)干擾場(chǎng)景進(jìn)行復(fù)制：一輛載有GPS干擾器的卡車駛過紐瓦克自由國(guó)際機(jī)場(chǎng)，使地基和星基增強(qiáng)系統(tǒng)接收機(jī)都出現(xiàn)了故障。為了進(jìn)行這個(gè)測(cè)試，我們準(zhǔn)備了一臺(tái)GPS L1波段的K-320 PPD干擾發(fā)射機(jī)（見圖3），將其安裝在車載12伏輔助電源輸出端，駕駛該車輛，靠近并經(jīng)過接收機(jī)。

4、結(jié)論

測(cè)試結(jié)果表明，與普通的單極化個(gè)案相比，采用雙極化方法時(shí)，接收機(jī)的定位精度和魯棒性能都得到了顯著提高。到達(dá)角度低于30°的衛(wèi)星得到了2 dB C/N0的改進(jìn)，接收機(jī)的定位精度因此得以提升。雖然在我們的測(cè)試中，PVT精度的優(yōu)點(diǎn)并不明顯，但在可視衛(wèi)星數(shù)量較少或LOS信號(hào)受阻的情況下，如城市環(huán)境中，其優(yōu)勢(shì)應(yīng)更為顯著。接收機(jī)魯棒性的提高得益于極化域中進(jìn)行濾波的可能性及靈活的可用自由度，從而使其在干擾嚴(yán)重的情況下進(jìn)行信號(hào)跟蹤并實(shí)現(xiàn)PVT解決方案成為可能。使用雙極化陣列的有效PVT解決方案仍可用于53 dB的干擾信號(hào)比，而單極化陣列卻無法提供有效的位置。盡管這些改進(jìn)值得關(guān)注，但由于待處理的信道數(shù)量增加了一倍，接收系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性也因此實(shí)際提升了。

作者：Matteo Sgammini, Stefano Caizzone, Achim Hornbostel , Michael Meurer

注： 原文載自《GPS World》2017年2月號(hào)創(chuàng)新欄目。